明渠流量计在PTA污水处理装置中的应用

2014-08-31胡爽

石油化工自动化 2014年3期

关键词：明渠喉道液位

胡爽

（中国昆仑工程公司，北京100037）

近年来，随着民众环保意识的增强，国家环保部门对工业污水排放的要求越来越严格，明渠流量计以其非接触测量及可用于敞开渠道的优势，在污水处理装置中得到了广泛应用。笔者结合工程案例对明渠流量的工作原理及应用进行归纳、分析、总结，以供同行参考。

1 测量原理及计算公式

1.1 测量原理

明渠流量计由量水堰（槽）和水位流量转换仪表（二次仪表）组成，其中二次仪表除完成水位流量转换外，还显示瞬时流量和累积流量。在流体流经标准堰或槽时，将形成液位与流量的对应关系，二次仪表测量液位，再根据相应公式（仪表内部微处理器运算）转换成流量进行显示。常用超声回波测距法来测量液位，超声波固定探头安装在量水堰（槽）水位观测点上方。

1）堰。在流道中设置上部有缺口的板壁，流体被堰挡住，水位有一定升高，然后通过缺口向下游侧流去。这时板壁上游侧水位与流量有对应关系，通过测量水位可以计算出流量值。根据缺口形状，分为三角堰、矩形堰、等宽堰等。

2）槽。敞开流道的某部分节流时，该处的流速增大，同时该部分的水位下降，测量水位的下降量求流量的装置叫做水槽。常用的水槽有巴歇尔水槽和帕尔默·玻鲁斯水槽。

因篇幅有限，文中仅介绍三角堰、矩形堰及巴歇尔槽的测量原理及计算公式。

1.2 流量计算公式

1）三角堰结构如图1所示，三角堰流量公式如下：

式中：qV——体积流量，m3／s；Ce——流量系数（需查表）；θ——三角缺口夹角，20°≤θ≤100°；he——有效水头，m，he＝h＋Kh（h——实测水头，m，Kh——水头修正系数）。

2）矩形堰结构如图2所示，矩形堰流量公式如下：

式中：be——有效堰口宽度，m，be＝b＋Kb（b——实测堰口宽度，m，Kb——宽度修正系数）。

3）巴歇尔槽为矩形横断面短喉道槽，由喉道上游均匀收缩段、喉道段和喉道下游均匀扩散段组成，如图3所示。根据喉道宽度分为三种类型：小型槽（b＝0.076，0.152，0.228m）、标准型槽（0.25m≤b≤2.4m）和大型槽（3.05m≤b≤15.24m）。因篇幅有限，文中仅介绍标准型槽的水位流量关系。巴歇尔槽流量公式如下：

式中：b——喉道宽度，m；ha——实测水头，m。

图1 三角堰结构示意

图2 矩形堰结构示意

图3 巴歇尔槽结构示意

2 结构技术要求

每种堰或槽都有一定的结构要求，如量水堰（槽）结构达不到要求，即便明渠流量计的选型和安装再仔细，测量结果也会大打折扣。

2.1 三角堰的结构要求

1）堰板上游面为平面，在表面上任意两点间的连线与垂直于轴线的平面之间的斜率应小于1%。

2）三角形缺口堰顶线bc，cd为直线。

3）三角形缺口夹角（θ）平分线O′O′与堰板中垂线OO应重合。

4）堰板顶面ab，df在同一水平面内，与三角形缺口角度平分线O′O′成90°。

5）堰板堰口加工要求如图4所示，堰口顶面为平面，与堰板上游面相交处成锐缘状态，若堰口锐缘处被磨圆，其圆弧半径不能大于0.25mm。堰口顶面宽度为1～2mm，允许宽度不得超出0.8～3.0mm。堰口表面应无毛刺和刮痕，表面粗糙度为3.2。

图4 三角堰剖面示意

6）堰板上游面距堰顶20～50mm范围内要求加工成光滑表面，粗糙度为3.2，在此范围内一般不得有凸出物，如采用螺栓安装堰板时，其螺栓凸出物不得超出于堰板上游面成1∶10坡度的斜面。

7）当堰板厚度大于堰口顶面宽度（1～2mm）时，超出堰口顶面宽度部分应加工成斜面，斜面与顶面夹角不得小于45°，斜面表面粗糙度为3.2。

2.2 矩形堰的结构要求

1）矩形缺口中垂线应与行近渠槽中心线相重合，侧缘（ac，fd）与底缘（cd）交角为90°，如图5所示。

图5 矩形堰剖面示意

2）堰板要求与2.1节第1）条相同。

3）矩形缺口侧缘（ac，fd）及底缘（cd）均为锐缘堰口，加工要求与2.1节第5）～7）条相同。

2.3 巴歇尔槽的结构要求

1）进口收缩段要求底面严格水平，两侧边墙与底面垂直与纵轴线成1∶5的比值对称收缩。喉道段两侧边墙互相平行，宽度（b）尺寸准确。为了预防超出设计标准的洪水漫溢，进口收缩段边墙高度应增加0.35～0.50m超高。

2）上下游翼墙长度取决于河渠的宽度，要求翼墙插入河渠两岸的长度不得少于0.4～0.5m。

3）大型巴歇尔槽可用混凝土材料建造，糙率要求小于0.017。小型巴歇尔槽可用塑料或玻璃钢材料建造。

3 PTA污水处理工艺简介

3.1 概述

PTA装置生产过程中，排出的混合废水含有对苯二甲酸、苯二甲酸、苯甲酸、醋酸甲酯、醋酸等污染物，对水体有较大的污染和危害。生产废水首先经过换热、沉淀、水量水质调节及中和工序后，进入UASB厌氧池；UASB出水经冷却塔降温后，与经过集水井提升的其他废水混合，一起进入两段好氧系统，分别为射流曝气池及微孔曝气池；再经过滤池去除悬浮物、臭氧接触池进行高级氧化、曝气生物滤池进一步去除COD；最后废水进入絮凝过滤池，通过絮凝及过滤机制，保证出水水质达标。

3.2 量水堰（槽）选用原则

选择量水堰（槽）时，除了要考虑渠道内流量的大小，还要考虑渠道内水的流态，是否能形成自由流。流量小于2 400L／min时，一般应选择三角堰。大于2 400L／min时，一般应选择巴歇尔槽。如果流量大于2 400L／min，而渠道内水位落差又较大时，可以选择矩形堰；条件允许，最好选择巴歇尔槽。因巴歇尔槽的水位与流量关系是由实验标定出来的，而且对上游行进渠槽条件要求较低，而三角堰和矩形堰的水位与流量关系来源于理论计算，易忽视一些使用条件，带来附加误差。笔者设计的UASB厌氧池受安装条件影响，多选用三角堰或矩形堰，其污水流量测量多选用明渠流量计，并采用分体式安装，即超声波探头和变送器分开安装。